CN109724854A - 一种软弱夹层复合试样制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石力学技术领域，尤其涉及一种软弱夹层复合试样制备方法。该制备方法包括：制备印模，印模具有上模和下模，上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土‑岩接触面的粗糙度相一致；制备具有颗粒级配的夹层土，并根据不同夹层土厚度的需求，将适量夹层土放置在印模的上模和下模之间；将印模和夹层土固结，得到上下表面和待模拟的软弱夹层的土‑岩接触面的粗造度一致的夹层土样；将上岩体和下岩体分别装配至夹层土样的上下表面上，形成软弱夹层复合试样。本发明能能够进行各项室内力学试验，揭示软弱夹层的力学特性。

Description

一种软弱夹层复合试样制备方法

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，尤其涉及一种软弱夹层复合试样制备方法。

背景技术

我国西南部蕴藏着丰富的水利资源，最近几十年来，国家加快了对西南部水利水电工程的开发与建设，如已建成的锦屏二级水电站、乌东德水电站以及在建的金沙江白鹤滩水电站。在水电站的坝基或坝肩等岩体处，常分布有较大范围的层间错动带，即软弱夹层。这些岩体内的软弱夹层主要呈泥土状，类似于“夹心饼干”的结构状态，其延展性强，力学性质差，极易发生上下盘岩体的剪切滑移和塌落等破坏，是控制岩体工程的弱结构面。

为尽可能真实地反映软弱夹层的剪切力学特性，为工程施工提供技术支持，需要在室内制备含不同土-岩接触面(又称结构面)粗糙度以及软弱夹层厚度、颗粒级配和固结程度的软弱夹层复合试样。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下不足：

现有的软弱夹层重塑土制样方法中，大多只考虑重塑土的颗粒级配、含水率、厚度等因素，或忽视了夹层土与上下盘岩体接触面的粗糙度，或将夹层土与上下盘岩体接触面的粗糙度人为进行简化，如简化为规则的锯齿状、Barton的10条经典剖面线等。已有研究表明，不仅软弱夹层复合试样夹层土的颗粒级配、含水率、夹层厚度、先期固结程度等控制因素对其剪切力学特性有一定影响，而且土-岩接触面的粗糙度对软弱夹层的剪切力学特性也有影响，如孙广忠在《岩体结构力学》中认为夹层厚度和结构面起伏差之间的关系对起伏状软弱结构面力学性质起主控作用。因此，有必要研究含有不同土-岩接触面粗糙度的软弱夹层的剪切特性，设计一种综合考虑夹层土厚度、颗粒级配、含水率和固结程度以及土-岩接触面粗糙度的软弱夹层复合试样制备方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种软弱夹层复合试样制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种软弱夹层复合试样制备方法，所述制备方法包括：

S1：制备印模，所述印模具有上模和下模，所述上模的下表面和所述下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致；

S2：制备具有颗粒级配的夹层土，并根据不同夹层土厚度的需求，将适量夹层土放置在印模的上模和下模之间；

S3：将印模和夹层土固结，得到上下表面和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的夹层土样；

S4：将上岩体和下岩体分别装配至所述夹层土样的上下表面上，形成软弱夹层复合试样。

进一步地，所述S1具体包括：

S101：现场采集含有不同粗糙度的土-岩接触面，得到含有不同粗糙度的土-岩接触面的三维接触面图像；

S102：根据得到的含有不同粗糙度的土-岩接触面的三维图形，获得结构面粗糙度的定量描述指标；

S103：根据获得的结构面粗糙度的定量描述指标，雕刻印模的上模的下表面和下模的上表面，使上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致。

进一步地，所述S101具体包括：

采用室内拍照式三维扫描系统扫描现场采集到的软弱夹层土-岩接触面，得到三维接触面图形。

进一步地，所述S102具体包括：

采用geomagic逆向工程处理扫描得到的三维接触面图像，并裁剪成预定尺寸，并借助 MATLAB软件编程计算出结构面粗糙度的定量描述指标。

进一步地，所述S103具体包括：

将获得的结构面粗糙度的定量描述指标输入到三维雕刻机中，利用三维雕刻机雕刻印模的上模的下表面和下模的上表面，使上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致。

进一步地，所述S3具体包括：

将具有夹层土的印模放入到单轴试验机内，进行夹层土的固结，根据不同需求，选取不同的固结压力，并按照《土工试验规程》SL237-1999，以试样变形每小时变化不大于0.005mm认为稳定；

稳定后，将夹层土从印模的上模和下模中取出，即得到了上下表面和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的夹层土样。

进一步地，所述S4具体包括：

在浇样模具盒内浇筑下岩体的模型材料，在下岩体的模型材料凝固前，在下岩体的模型材料上放置制备好的夹层土样，并适度按压，再在夹层土样上浇筑上岩体的模型材料；

待模型材料凝固后脱模，即得到具有上岩体、夹层土样和下岩体的软弱夹层复合试样。

优选地，所述模型材料为石膏。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种软弱夹层复合试样制备方法，由于其制备的软弱夹层复合试样包含了上岩体、下岩体以及二者之间的夹层土样，因此，能够完全重构现场软弱夹层土与上下岩体接触面粗糙度、设定颗粒级配、夹层厚度以及固结程度，能够比较真实地模拟现场软弱夹层的赋存状态，进行软弱夹层复合试样在不同土-岩接触面粗糙度、夹层厚度、夹层颗粒级配、夹层固结程度等条件下的各项室内力学试验，揭示软弱夹层的力学特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种软弱夹层复合试样制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的S1的具体流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种软弱夹层复合试样制备方法的流程示意图，结合图1，本发明实施例所公开的制备方法包括：

S1：制备印模，所述印模具有上模和下模，所述上模的下表面和所述下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致；

S2：制备具有颗粒级配的夹层土，并根据不同夹层土厚度的需求，将适量夹层土放置在印模的上模和下模之间；

S3：将印模和夹层土固结，得到上下表面和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的夹层土样；

S4：将上岩体和下岩体分别装配至所述夹层土样的上下表面上，形成软弱夹层复合试样。

图2为本发明实施例的S1的具体流程示意图，结合图1，该S1具体包括：

S101：现场采集含有不同粗糙度的土-岩接触面，得到含有不同粗糙度的土-岩接触面的三维接触面图像。

具体地，可以采用室内拍照式三维扫描系统扫描现场采集到的软弱夹层土-岩接触面，从而得到三维接触面图形。

S102：根据得到的含有不同粗糙度的土-岩接触面的三维图形，获得结构面粗糙度的定量描述指标；

具体地，可以采用geomagic逆向工程处理扫描得到的三维接触面图像，并裁剪成预定尺寸，并借助MATLAB软件编程计算出结构面粗糙度的定量描述指标，该定量描述指标即为下文所述的三维雕刻机的雕刻路径。

S103：根据获得的结构面粗糙度的定量描述指标，雕刻印模的上模的下表面和下模的上表面，使上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致。

具体地，可以将获得的结构面粗糙度的定量描述指标输入到三维雕刻机中，利用三维雕刻机雕刻印模的上模的下表面和下模的上表面，使上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致。

需要说明的是，得到的上模和下模可以做有标记，以方便后续的使用。

本发明实施例的S3具体包括：

将具有夹层土的印模放入到单轴试验机内，进行夹层土的固结，根据不同需求，选取不同的固结压力，并按照《土工试验规程》SL237-1999，以试样变形每小时变化不大于0.005mm认为稳定；

稳定后，将夹层土从印模的上模和下模中取出，即得到了上下表面和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的夹层土样。

本发明实施例的S4具体包括：

在浇样模具盒内浇筑下岩体的模型材料，在下岩体的模型材料凝固前，在下岩体的模型材料上放置制备好的夹层土样，并适度按压，再在夹层土样上浇筑上岩体的模型材料；

待模型材料凝固后脱模，即得到具有上岩体、夹层土样和下岩体的软弱夹层复合试样。

在S4中，该模型材料优选为石膏。

需要说明的是，本发明实施例的S4中的上岩体和下岩体，可以直接现场采集岩石，并利用S2，雕刻出具有和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的上岩体和下岩体。

本发明实施例所提供的一种软弱夹层复合试样制备方法，由于其制备的软弱夹层复合试样包含了上岩体、下岩体以及二者之间的夹层土样，因此，能够完全重构现场软弱夹层土与上下岩体接触面粗糙度、设定颗粒级配、夹层厚度以及固结程度，能够比较真实地模拟现场软弱夹层的赋存状态，进行软弱夹层复合试样在不同土-岩接触面粗糙度、夹层厚度、夹层颗粒级配、夹层固结程度等条件下的各项室内力学试验，揭示软弱夹层的力学特性。

另外，该制备方法的取材简单，成本低廉，且是通过成熟的设备和相关软件进行，还具有操作便捷的特点。

以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (8)

1.一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

S1：制备印模，所述印模具有上模和下模，所述上模的下表面和所述下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致；

S2：制备具有颗粒级配的夹层土，并根据不同夹层土厚度的需求，将适量夹层土放置在印模的上模和下模之间；

S3：将印模和夹层土固结，得到上下表面和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的夹层土样；

S4：将上岩体和下岩体分别装配至所述夹层土样的上下表面上，形成软弱夹层复合试样。

2.根据权利要求1所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述S1具体包括：

S101：现场采集含有不同粗糙度的土-岩接触面，得到含有不同粗糙度的土-岩接触面的三维接触面图像；

S102：根据得到的含有不同粗糙度的土-岩接触面的三维图形，获得结构面粗糙度的定量描述指标；

S103：根据获得的结构面粗糙度的定量描述指标，雕刻印模的上模的下表面和下模的上表面，使上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致。

3.根据权利要求2所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述S101具体包括：

采用室内拍照式三维扫描系统扫描现场采集到的软弱夹层土-岩接触面，得到三维接触面图形。

4.根据权利要求2所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述S102具体包括：

采用geomagic逆向工程处理扫描得到的三维接触面图像，并裁剪成预定尺寸，并借助MATLAB软件编程计算出结构面粗糙度的定量描述指标。

5.根据权利要求2所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述S103具体包括：

将获得的结构面粗糙度的定量描述指标输入到三维雕刻机中，利用三维雕刻机雕刻印模的上模的下表面和下模的上表面，使上模的下表面和下模的上表面的粗糙度均和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗糙度相一致。

6.根据权利要求1所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述S3具体包括：

将具有夹层土的印模放入到单轴试验机内，进行夹层土的固结，根据不同需求，选取不同的固结压力，并按照《土工试验规程》SL237-1999，以试样变形每小时变化不大于0.005mm认为稳定；

稳定后，将夹层土从印模的上模和下模中取出，即得到了上下表面和待模拟的软弱夹层的土-岩接触面的粗造度一致的夹层土样。

7.根据权利要求1所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述S4具体包括：

在浇样模具盒内浇筑下岩体的模型材料，在下岩体的模型材料凝固前，在下岩体的模型材料上放置制备好的夹层土样，并适度按压，再在夹层土样上浇筑上岩体的模型材料；

待模型材料凝固后脱模，即得到具有上岩体、夹层土样和下岩体的软弱夹层复合试样。

8.根据权利要求7所述的一种软弱夹层复合试样制备方法，其特征在于，所述模型材料为石膏。